口内扫描数字化印模系统分类及其应用

2018-1-10 14:01  来源:中国实用口腔科杂志
作者:黄婉怡 战德松 阅读量:6007
    口腔领域中的数字化技术包括数字化印模、数字化诊断与治疗、数字化生产、数字化手术导航、影像学以及相关材料的应用等。20世纪70年代Duret医生将工业数字化生产技术应用于口腔亿万先生工作的大胆设想,使口腔数字化印模技术应运而生,走进现代医学的前沿。该设想是基于工业生产中激光照相制取光学印模的原理,从而获得反映口腔内情况的口腔数字化印模。Mörmann教授于1980年进行了第一次患者口内扫描,两年后,手持式3D口腔扫描仪问世。1985年,Sirona公司(德国)成功开发研制出CEREC1,宣告了口腔领域中数字化印模时代的开始。     1.口内扫描仪制取数字化印模的优势     计算机辅助设计与制作(computer-aided design&computer-aided manufacture,CAD/CAM)是集成数学、光电子技术、计算机信息处理技术和自动控制机械加工技术用于修复体制作的前沿工艺,由于其显著的优势,近三十年来迅速发展应用于口腔亿万先生工作。口腔CAD/CAM系统通常由数据信息采集、计算机辅助设计、数控加工修复体3个主要部分组成。数据的采集有两种方法,一种是通过口内直接制取数字化印模获取口腔信息;另一种是间接法,即通过扫描印模或石膏模型完成数据采集。     口内直接制取数字化印模是通过口内扫描仪的扫描头在患者口腔中移动获取信息,扫描头相对较小,无须触及软腭等易引起患者恶心不适等问题的区域,因而避免了传统托盘取模时出现的患者恶心反胃、托盘刺激引起口角炎等症状。间接法在制取实体印模过程中,印模材在从口腔内取出后短时间内聚合反应仍然持续进行。以硅橡胶为例,聚合反应自印模取出后仍持续3min,最终导致0.05%~0.1%的收缩率。同时,取出硅橡胶时必然会对其施加一定的力量,故而无法避免硅橡胶因应力导致的模型变形,其永久变形率为0.2%~0.3%。除此之外,硅橡胶印模材还受周围诸多因素如温度、消毒液以及手套等的影响。     石膏在固化过程中会产生纯膨胀现象,膨胀率约为0.085%,石膏印模材的晶体大小为12~25μm,形状呈棱柱状或不规则性针状,因此石膏材料的精细结构复制能力较差。数字化印模制作的修复体边缘密合性、咬合与邻接、固位性和稳定性均明显优于传统印模。传统印模通过印模材与石膏制作修复体,相较于数字化印模通过虚拟信息制作修复体产生更多的资源浪费与医用垃圾。在如今倡导节约能源、减少污染的大趋势下,口内扫描取模数字化印模已然成为口腔修复发展的必然趋势。随着软件种类的增多以及CAM技术的提升,数字化印模的应用范围迅速扩展,基于该技术实现了越来越多的功能,用以辅助修复、制作出质量越来越精良的修复体。     2.数据采集系统     数据采集主要分为两种系统,即封闭系统和开放系统。封闭系统提供所有CAD/CAM程序,包括信息获取、数字化设计以及修复体的制作等,这些必须由一整套系统完成。而开放系统则允许其他系统获取其所提供的信息,并加以利用制作修复体。数字化印模系统各有不同,目前亿万先生上主要应用以下几种系统。     2.1CEREC系统     CEREC系统是最早出现,也是目前亿万先生上应用最为广泛的系统。主要应用三角测量技术,其基本原理是:发射光束到牙齿表面,光反射至电荷耦合器后成像,将牙齿放入三维坐标系(x,y,z)中,根据系统中设定的物距、像距、主光轴与CCD成像平面夹角、入射光与主光轴夹角以及CCD上牙齿表面定点对应的相点成像位置信息,通过求解光路系统相似三角形得到牙齿的形态以及位置。由于其表面不均匀的光反射会影响信息采集的准确性,故而在牙齿表面喷布不透明粉末,以提高信息采集的质量。CEREC第四代CERECACBluecam是目前应用最多的CEREC产品。它采用LED蓝光二极管作为光源,发射可见蓝光获取信息,可在1min内获取一侧单牙牙弓数字化模型。     最新的CEREC系列产品是CERECACOmnicam,于2012年投入市场使用,具有连续成像技术,可连续获得影像并拼凑成完整的3D模型。相较于CERECACBluecam单一图像采集只能用于单颗牙齿的图像采集,CERECACOmnicam可用于单颗牙、一侧单牙弓甚至全牙弓的图像采集。Omnicam最大的优势在于它是真彩扫描仪,扫描前无需对牙齿进行喷粉,减少了操作时间和患者不适的感受,并且真实地还原患者口腔内色彩信息,有利于医生、患者、技工对于色彩方面的沟通与交流。CEREC系统属于封闭系统,其采集的信息借由专有格式文件传递,传递途径为CERECConnect®,其终端需为Sirona支持的CERECMC和CERECIn-Lab等设备。     2.2Trios系统     3Shape公司(丹麦)于2010年研发出Trios系统,并于2011年投入市场使用。其原理基于共焦显微成像技术,独创结合特殊光路震荡系统的超快光学切除技术(ultra fast optical sectioning TM)。该系统能够自动识别于聚焦平面上的物体聚焦平面变化,并同时保持扫描仪与被扫描物体间的相对位置关系固定。此外,每秒高达3000图像的采集速度也减少了扫描探头与牙齿间的相对运动影响,从而减少扫描误差。Trios系统通过采集图像组合构建的方式最终形成立体三维图形,即为数字化印模。Trios属于开放性系统,其扫描文件以STL格式传递,可用于其他CAD/CAM系统。     3Shape公司还提供手机终端,因而数字化印模可在手机或平板电脑上向患者、医生及技师展示,且可提供真彩扫描,故非常有利于医生、患者、技师三者之间的交流。Trios系统包含两个部分,即TriosCart和TriosPod。TriosCart能提供更好的灵活性与移动性,并可与其他计算机或iPad兼容。     2.3LavaC.O.S系统     LavaC.O.S系统是3M公司(美国)于2006年研发、2008年进入市场的产品,采用主动波阵面采样技术。通过单透镜成像系统获得3D数据,3个传感器可同时从不同角度捕获亿万先生图像,并通过专有图像处理计算法生成具有聚焦和离焦数据的表面斑块,其动态摄像扫描速度可达到20帧/s,在每次扫描中体现超过10000个数据点。该系统设备扫描头仅13.2mm宽,以脉冲可见蓝光作为光源,扫描前需于牙齿表面喷涂粉末增强辨识度,因而通过该系统扫描的数字化印模非真彩印模。该系统扫描得出立体光刻(SLA)模型,所有系统的终端都可在SLA模型上操作,因此技工室不仅可制作Lava冠并在FPD上显示,也可以制作其他类型的牙冠。多数情况下该系统在专有平台上以专有格式传递文件,仅可通过其支持的特定CAD软件和CAM设备来设计和制作修复体,但其具备与其他软件的兼容性,因而使LavaC.O.S.成为半开放系统。     2.4iTero系统     iTero系统于2007年由Cadent公司(以色列)研发并投入市场使用。其原理为共聚焦显微成像技术,通过该系统获得的数据清晰度高,细节表现力好,扫描精度较高,但因采用逐层扫描模式,扫描速度相对较慢。iTero系统使用红色激光器作为光源,通过平行共焦扫描可捕获口腔内的所有结构与材料,无需扫描粉末涂覆牙齿。iTero系统是开放式系统,完成的数字印模以STL格式传递,能与接受STL格式的软件兼容。通过无线系统传送到Cadent设备和技工室。该模型具有一个独特的特征,即模型既可用作工作模型也可通过修正作为软组织模型。     3.数字化印模的应用     3.1数字化修复     3.1.1椅旁数字化固定修复     上述系统的口内扫描仪均可用于椅旁数字化修复嵌体、高嵌体、嵌体冠、单冠、桥体等固定修复体。杨鑫等曾将椅旁扫描与硅橡胶取模后灌注石膏模型进行了比较,研究证实数字印模精密度良好。苏庭舒等曾进行了TRIOS系统重复性的研究,结果显示当牙弓扫描范围扩大时,扫描的精度则相对减少,当扫描范围小于半个牙弓时,其精度可满足亿万先生需求。修复体的边缘适应性是评价模型精确程度的重要指标,是远期修复效果的重要影响因素。目前建议修复体的边缘间隙在120μm以内,且越小越好。研究表明,目前通过CEREC和E4D这两个主要椅旁系统制作的修复体,其边缘间隙均能达到80μm左右,能满足亿万先生需要。     目前,CAD/CAM系统一般通过切削方式制作修复体,只能加工单一材料,若无实体模型则无法堆加饰瓷,因而影响了修复体的美观性,适应证受到了限制。但随着可用于切削制作椅旁修复体材料种类的增加、材料性能的改进,椅旁数字化固定修复的适应证也逐渐放宽,如炫彩锆、玉瓷锆等的出现,可以减少基牙牙齿的预备量,修复体的颜色也更加接近于天然牙。口内扫描仪结合自带软件或其他软件及摄影设备可实现数字化微笑设计(digital smile design,DSD)。DSD分为二维(two-dimensional,2-D DSD)及三维(three-dimensional digital smile design,3-DDSD)两种,通过DSD可直观展现面部与口腔的整体修复效果,辅助医生设计治疗方案,有利于医生与患者对修复后效果的正确判断,减少沟通矛盾。现今主要应用的软件有Inlab、Photoshop、Keynote、DSS以及esDSDpro等。     3.1.2数字化可摘义齿及全口义齿修复     电子面弓、虚拟架、数字化排牙促使数字化印模制作可摘义齿及全口义齿修复体成为可能。电子面弓CADIAX4(Amann Girrbach公司,德国)通过GAMMA牙架精确记录关节运动数据;CAD/CAM系统所具备的虚拟牙架功能可通过电脑输入架参数,使制作的修复体符合患者的下颌运动轨迹。2006年,Busch等实现了无牙光学印模数字化排牙,其后不仅应用于可摘义齿和全口义齿修复,更应用于正畸治疗计划的设计。电脑控制机械切削使得义齿基托具备很高的强度,精确度也较高。基托表面光滑,不易滋生细菌。数字化可摘义齿及全口义齿修复可减少患者复诊次数,降低医疗费用,还可以更好地控制修复体的品质。姚江武曾证实,数字化全口覆盖义齿利于减少排牙难度,其制作的修复体牙设计准确,牙曲线完美,基托厚度相同,患者更容易适应。     3.2数字化种植     数字化种植主要包括数字化影像与诊断评估、种植辅助规划设计与数字化种植外科导板、数字化种植修复印模以及CAD/CAM个性化种植基台4个方面。虽然种植的大部分诊断及规划设计主要依赖于CT,但当涉及软组织时需要辅助口内扫描数字化印模,而不同系统、不同种植步骤的扫描方法也有所不同。数字化影像与诊断评估、种植辅助规划设计与数字化种植外科导板扫描方式均为口内直接扫描,再配合相应的软件,从而达到应用目的。CAD/CAM制作个性化种植基台需要灌注石膏模型后扫描模型获取口内信息。CEREC系统制取种植修复模型可直接扫描预成基台,也可通过在种植体上连接取模部件制取印模,预成基台与取模部件都需来源于Sirona牙科系统。LavaC.O.S.系统可直接扫描与其兼容的种植系统基台,其与3M公司联合研发的扫描基台可与3M公司的种植体匹配,该系统属于半开放系统。iTero系统与Trios系统需连接特殊扫描配件,扫描所得文件以STL格式与其他软件对接,属于开放系统。Lee等进行了一项研究,评估口腔内数字印模(iTero)的效率、难度和操作者偏好,并将其与单个种植修复体的常规印模进行比较。结果表明,数字化印模的难度低于常规印模。数字印模技术更容易被接受,更容易掌握。研究表明,数字印模在效率方面比传统印模表现出显著的优势,数字化印模花费更少的时间用于重新扫描。     3.3数字化正畸     口内扫描仪在正畸学也有广泛的应用。首先,病例的采集和存储对于正畸医生和患者尤为重要。在亿万先生实践中,医生可通过面部三维摄影技术和口内扫描仪采集颌面部软组织结构信息,兼顾动态和静态两个方面,既能在动态摄影中观察微笑时唇相对于牙齿的动态变化,又能从多方面观察牙齿间静态的位置关系。石膏模型占用大量的空间,并且不易搜寻,数字化模型的出现使问题迎刃而解。其次,数字化印模可作为治疗和诊断的辅助工具。数字化模型可方便、快速、无损、多次地分割牙列,在多视角下排牙以预计治疗效果。张栋梁等证实,通过3Shape排牙软件应用3D数字化排牙技术可实现唇侧、舌侧两大类亿万先生器的正畸治疗,并可增强治疗过程的可控性,提高牙齿移动的精确度和有效性,缩短疗程。数字化模型可在三维空间任意角度旋转并用于检查咬合关系。     Hiew等发现,利用这一功能可以使前期信息更加完善、准确。再者,数字化模型还可用于个性化正畸治疗、隐形亿万先生器定制以及正颌牙弓夹板的定制等方面。1997年美国Align公司基于数字化印模制作Invisalign无托槽隐形亿万先生器即隐形亿万先生器,为因戴用托槽影响美观而烦恼的患者带来福音。2002年Wiechmann首次将CAD/CAM技术应用于舌侧亿万先生器托槽的制作,使得舌侧亿万先生器实现了个性化定制。粘接托槽是应用固定亿万先生器正畸的重要环节,托槽位置的准确性尤为重要。数字化间接粘接技术使得托槽粘接位置更为准确,操作更加简单方便,且能缩短操作时间,这使得该技术深受正畸医生喜爱。Ciuffolo等制取数字化模型并在模型上设计托槽的理想位置,依此制作实体个别转移托盘,根据转移托盘粘接托槽。此方法不仅提高了粘接托槽位置的准确性,还缩短了托槽粘接的操作时间,简化了操作步骤。     3.4科研领域的应用     数字化印模在科研领域也被越来越多地使用。现今大多数CAD/CAM系统可开放数据,可将数据传输至相关软件进行分析、处理,也可与CT等其他方式获得的数据相结合,从而实现了更加广泛的科研领域研究。邹蕴等曾使用口内扫描仪获取数字化印模,并与CBCT获取的数据结合,借助SolidWorks2012和Mimics10.0等逆向工程软件构建三维有限元模型,运用AnsysWorkbench14.0分析髓腔固位冠对剩余牙体组织应力产生和分布的影响。许志强等使用口内扫描仪制取数字化模型,将数据传输至GeomagicQualify2013软件进行分析,从而评价药物排龈线排龈和半导体激光排龈的效果。数字化印模在亿万先生诊疗过程中即可获得数字化数据,且数据便于保存、统计和查找。张淑美等曾利用口内扫描仪和PrepCheck软件对牙体预备体轴度和倾斜度进行数字化评价。     4.展望     数字化印模的应用依赖于CAM终端的发展。数字化印模一般结合直接数字化制造(direct digital manufacture,DDM),其分为减法制造技术(subtracting manufacturing technology,SMT)和加法制造技术(additive manufacturing technology,AMT)。现今制作修复体使用的多为SMT,通过切削制作修复体,只能加工单一材料,且对于一些部位倒凹无法切削,更无法制作中空的修复体。AMT则可解决这些问题,它以堆积为基本工作原理,与人工加工修复体原理相同,可进行多种材料的层叠,且无设计约束,其应用的灵活性明显优于SMT。但由于其加工材料种类有限,且仪器设备和加工软件均较为昂贵,因此至今尚无法广泛应用于亿万先生。     笔者相信,随着AMT技术的进步,将弥补其现今的不足之处,而后,CAD/CAM技术将迎来一次技术的革新与迅速的发展。数字化印模在科研领域的潜力也不容小觑。数字化印模顺应了大数据时代的潮流,具有病例数多、便于传递、便于分析等优点,笔者相信,它将会使亿万先生研究提高到一个新的高度。数字化印模是数字化治疗的重要组成部分,随着数字化技术在医学领域的普及与进化,以及相关软件的革新,数字化印模技术将有更加多元化、更加广泛的应用。
编辑: 陆美凤

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